本文關(guān)鍵詞：豎直圓管管內(nèi)R113降膜流動與蒸發(fā)換熱特性數(shù)值模擬

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【摘要】：工業(yè)余熱量大、質(zhì)低、分布廣,特別是在鋼鐵、有色金屬冶煉、水泥、輕工、煤炭等行業(yè),而工業(yè)余熱回收利用率低是我國能源利用率低的主要原因,所以研發(fā)高效余熱利用技術(shù)是節(jié)能減排的重要途徑。目前對于高品質(zhì)余熱(溫度250℃)的利用技術(shù)已經(jīng)逐步成熟,而對于溫度為60℃~200℃的低品質(zhì)余熱的回收利用方面的研究較少。降膜蒸發(fā)技術(shù)以其小傳熱端差、高傳熱效率被廣泛應(yīng)用于化工、余熱回收領(lǐng)域,本文針對低品質(zhì)余熱特性,采用CFD數(shù)值模擬的方法,研究低沸點有機工質(zhì)R113在豎直圓管管內(nèi)降膜流動和換熱特性,為開發(fā)設(shè)計應(yīng)用于低品質(zhì)余熱回收利用的有機工質(zhì)降膜蒸發(fā)器提供指導(dǎo)。論文以采用環(huán)形插件式布膜器的豎直圓管作為研究對象,建立二維幾何模型,利用FLUENT軟件,對有機工質(zhì)R113在管內(nèi)降膜流動及蒸發(fā)換熱的非穩(wěn)態(tài)過程進行了數(shù)值模擬研究。其中,氣-液兩相流的相互作用采用VOF模型,同時選用幾何重建(Geo-Reconstruction)技術(shù)捕捉兩相交界面,壓力-速度耦合采用PISO算法,并通過加入udf程序模擬R113表面蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)過程。本文的主要研究內(nèi)容分為R113的冷態(tài)成膜數(shù)值模擬和熱態(tài)蒸發(fā)換熱數(shù)值模擬兩部分。冷態(tài)成膜數(shù)值模擬主要研究了R113穩(wěn)定成膜時的液膜分布和速度分布特性,并模擬研究了噴淋密度、管長、管徑和布膜環(huán)形間隙對管內(nèi)液膜成形及膜厚分布的影響。研究結(jié)果表明:液膜流動沿管長方向由穩(wěn)定發(fā)展為波動,膜厚由均勻變?yōu)楹癖〗惶?沿流動方向速度逐漸增大,且增加趨勢逐步變緩。噴淋密度越大,膜厚越大,且噴淋密度大于1.062 kg/m·s時R113能夠穩(wěn)定成膜;在一定噴淋密度下,不同管長、管徑和布膜環(huán)形間隙時液膜穩(wěn)定段厚度相等;同時,管徑越小,液膜流動越穩(wěn)定,當(dāng)小于某個值時,膜厚沿壁面均勻分布,存在最佳降膜管徑;液膜波動隨著管長增大而增強,管長大于1.2m后液膜下段出現(xiàn)飛濺而無法濕潤壁面;環(huán)形間隙越小,液膜波動越強,減小到1.2 mm之后R113無法完整成膜。熱態(tài)蒸發(fā)換熱數(shù)值模擬主要在冷態(tài)成膜的基礎(chǔ)上模擬研究了R113降膜蒸發(fā)換熱特性,并分析了熱流密度、R113入口溫度以及噴淋密度對管內(nèi)液膜的溫度分布及換熱系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明:在加熱壁面過程中,液膜溫度逐漸上升,且上升速度逐步加快,液膜表面溫度和壁面溫度同步變化,均沿管長方向慢慢增大,而氣相溫度與之變化相反。低噴淋密度下容易出現(xiàn)干燒現(xiàn)象,導(dǎo)致壁面溫度飛升,隨著噴淋密度增大,壁溫和液膜表面溫度逐漸降低并趨于均勻,換熱系數(shù)逐漸減小,但趨勢變緩,綜合考慮存在最佳降膜蒸發(fā)噴淋密度。熱流密度q對R113的管內(nèi)降膜蒸發(fā)換熱影響顯著,壁溫和液膜表面溫度隨q增大而升高,同時換熱系數(shù)逐漸增大。壁溫和液膜表面溫度隨R113入口溫度T_(in)的增大而升高,但換熱系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢,且在T_(in)高于313K之后,溫升逐漸變緩,T_(in)對換熱系數(shù)的影響減弱。該研究結(jié)果對有機工質(zhì)降膜蒸發(fā)器的設(shè)計有重要參考價值。
【關(guān)鍵詞】：豎直管內(nèi)降膜蒸發(fā) R113 數(shù)值模擬 液膜流動 換熱特性
【學(xué)位授予單位】：華北水利水電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK115
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 符號說明10-11
• 1 緒論11-21
• 1.1 研究背景11-13
• 1.1.1 我國能源利用現(xiàn)狀11-12
• 1.1.2 工業(yè)余熱回收利用現(xiàn)狀12-13
• 1.2 降膜蒸發(fā)技術(shù)的研究及應(yīng)用13-19
• 1.2.1 降膜蒸發(fā)技術(shù)13-14
• 1.2.2 降膜蒸發(fā)的特點及應(yīng)用14-15
• 1.2.3 降膜蒸發(fā)的研究現(xiàn)狀15-19
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容19-21
• 2 豎直圓管管內(nèi)降膜流動的數(shù)值模擬方法21-37
• 2.1 數(shù)值模擬在研究中的應(yīng)用21-22
• 2.1.1 數(shù)值模擬的基本情況21
• 2.1.2 數(shù)值模擬的基本步驟21-22
• 2.2 多相流模擬基礎(chǔ)22-25
• 2.2.1 多相流模型23
• 2.2.2 VOF界面重構(gòu)技術(shù)23-25
• 2.3 基本控制方程25-28
• 2.3.1 質(zhì)量守恒方程25
• 2.3.2 動量守恒方程25-26
• 2.3.3 能量守恒方程26
• 2.3.4 湍流控制方程26-27
• 2.3.5 附加源項方程27-28
• 2.4 求解計算方法的選擇28-31
• 2.4.1 數(shù)值求解方法28
• 2.4.2 壓力-速度耦合算法28-31
• 2.5 豎直圓管降膜模型建立31-35
• 2.5.1 幾何模型31-32
• 2.5.2 網(wǎng)格處理和獨立性驗證32-34
• 2.5.3 邊界條件和初始條件34-35
• 2.6 本章小結(jié)35-37
• 3 豎直圓管管內(nèi)冷態(tài)降膜數(shù)值模擬結(jié)果及分析37-55
• 3.1 豎管管內(nèi)R113冷態(tài)降膜流動數(shù)值模擬37-41
• 3.1.1 管內(nèi)降膜流動的液膜分布37-39
• 3.1.2 管內(nèi)降膜流動的速度分布39-41
• 3.2 噴淋密度對管內(nèi)液膜分布及液膜厚度的影響41-46
• 3.3 管徑對管內(nèi)液膜分布及液膜厚度的影響46-48
• 3.4 管長對管內(nèi)液膜分布及降膜厚度的影響48-52
• 3.5 布膜器環(huán)形間隙對管內(nèi)液膜分布及降膜厚度的影響52-54
• 3.6 本章小結(jié)54-55
• 4 豎管管內(nèi)R113降膜換熱數(shù)值模擬結(jié)果及分析55-65
• 4.1 豎管管內(nèi)R113液體降膜蒸發(fā)換熱數(shù)值模擬55-58
• 4.2 噴淋密度對液膜換熱的影響58-60
• 4.3 熱流密度對液膜換熱的影響60-62
• 4.4 R113入口溫度對液膜換熱的影響62-63
• 4.5 本章小結(jié)63-65
• 5 結(jié)論和展望65-67
• 5.1 主要結(jié)論65-66
• 5.2 展望66-67
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參加的科研項目67-69
• 致謝69-71
• 參考文獻71-73

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